科學(xué)家開發(fā)仿真軟件模擬激光與物質(zhì)的相互作用

　　圖 4. L-CVD 的速度和溫度場仿真。上：從直徑 3 mm 的噴嘴中流出的 L-CVD 前體流動速度等值線，以及由于空氣玻璃界面處激光加熱誘發(fā)的溫度場。下：汽化石英的速度流線，在左下角可以看到以擴(kuò)散為主的玻璃傳遞(深藍(lán)色)。

　　研究小組發(fā)現(xiàn)，如要避免一些較常見于 L-CVD 沉積剖面的多余特征，比如著名的“火山”特征，激光功率是一個關(guān)鍵的工藝參數(shù)。

　　“就我們所知，迄今為止，還沒有任何其他方法可以通過將缺損材料替換為高等級基底材料來增材修復(fù)損傷。” Matthews 說道：“這一方法的成功應(yīng)用可以降低加工成本、延長光學(xué)元件的使用壽命，并為一般的高功率激光應(yīng)用帶來抗刮傷能力更強(qiáng)的光學(xué)元件。此外，相對常規(guī)方法，L-CVD 對除石英玻璃之外的其他材料系統(tǒng)也頗具優(yōu)勢。能夠模擬瞬態(tài)流動、反應(yīng)和傳熱，對探索新應(yīng)用有很大的幫助。”

　　五 從玻璃修復(fù)到制造

　　雖然使用 L-CVD 工藝翻新光學(xué)元件這一技術(shù)仍處于探索階段，但作為 NIF 的光學(xué)修復(fù)項目之一，團(tuán)隊已經(jīng)實現(xiàn)了基于 CO2 激光器的表面微成形，并通過多物理場仿真進(jìn)行了優(yōu)化。2014 年，NIF 已經(jīng)使用紅外微成形和其他技術(shù)修復(fù)了 13,000 個以上的受損點(diǎn)，他們正不斷循環(huán)利用光學(xué)元件，保證了日常使用。

　　不過，他們對激光與物質(zhì)之間相互作用的研究并沒有止步于光學(xué)元件的修復(fù)。Mathews 和他的團(tuán)隊還進(jìn)一步開發(fā)出了一項稱作選擇性激光燒結(jié) (SLM)的 3D 打印增材工藝，以支持一個實驗室級別的增材制造計劃。“這項研究讓我感覺非常興奮。” Matthews 說道：“找出如何優(yōu)化 3D 打印系統(tǒng)會給這一正在快速發(fā)展的行業(yè)帶來重大的影響，在過去，我們很大程度上只能依賴試錯法，現(xiàn)在則將能從這一基于模型的方法中受益。”

　　LLNL 光學(xué)元件損傷緩解和激光材料加工研究小組(從左到右)：Gabe Guss、Nan Shen、Norman Nielsen、Manyalibo Matthews、Rajesh Raman 和 Selim Elhadj。他們背后的設(shè)備用于研究高功率激光輻射下的金屬粉末熔融動力學(xué)，這是金屬基增材制造(3D 打印)領(lǐng)域的一個重要課題。